Ye Zhang1,2; Zixin Li1,2; Fanqiang Gao1,2; Cong Zhao1,2; Yaohua Li1,2
1. Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
Y. Zhang, Z. Li, F. Gao, C. Zhao and Y. Li, "Coordinated Capacitor Voltage Balancing Method for Cascaded H-Bridge Inverter with Supercapacitor and DC-DC Stage," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 8, no. 2, pp. 191-201, June 2024, doi: 10.30941/CESTEMS.2024.00019.
摘 要
采用超级电容器和DC-DC级联的H桥逆变器(CHBI)在中高压储能领域有着广阔的应用前景。本文研究了CHBI中电容器的电压平衡问题，包括直流环节电容器和SCs电容器。各子模块(SM)中的DC-DC级实现对直流环节电容电压的平衡控制，而H桥采用混合调制策略(HMS)来平衡SMs之间的SC电压。同时，分析了HMS下直流环节电压波动的情况。引入虚拟电压变量来协调直流环节电容电压和SC电压的平衡。与单纯考虑SC电压的平衡方法相比，该方法在不影响SCs电压平衡的前提下，减小了直流环节电压波动。最后，仿真和实验结果都验证了该方法的有效性。
Abstract
Cascaded H-bridge inverter (CHBI) with supercapacitors (SCs) and dc-dc stage shows significant promise for medium to high voltage energy storage applications. This paper investigates the voltage balance of capacitors within the CHBI, including both the dc-link capacitors and SCs. Balance control over the dc-link capacitor voltages is realized by the dc-dc stage in each submodule (SM), while a hybrid modulation strategy (HMS) is implemented in the H-bridge to balance the SC voltages among the SMs. Meanwhile, the dc-link voltage fluctuations are analyzed under the HMS. A virtual voltage variable is introduced to coordinate the balancing of dc-link capacitor voltages and SC voltages. Compared to the balancing method that solely considers the SC voltages, the presented method reduces the dc-link voltage fluctuations without affecting the voltage balance of SCs. Finally, both simulation and experimental results verify the effectiveness of the presented method.
作者信息
张烨，2019年获得河北工业大学工学学士学位，目前正在中国科学院电工研究所和中国科学院大学攻读博士学位，主要研究方向为级联型储能逆变器控制。
李子欣，中国科学院电工研究所副所长，研究员，博士生导师，IET Fellow、IEEE Senior Member、中国电源学会高级会员，主要从事电力电子与电磁驱动技术及其在电网、交通、能源等领域的应用研究。曾承担广东南澳多端柔直工程青澳±160kV/50MW换流器、云南鲁西柔直工程广西侧±350kV/1000MW换流器、10kV/3MW多端口电力电子变压器等中高压大容量电力电子装置研发。兼任中国电工技术学会标准化工作专家委员会直流配电网专业分会专家组成员、北京电力电子学会青年工作委员会副主任以及IEEE Transactions on Power Electronics、IET High Voltage等国际期刊编委。已发表EI、SCI论文100余篇，获国家发明专利授权10余项，省级科技奖3项。曾获IEEE杰出青年电力电子工程师奖，天津市“青年拔尖人才”，中国科学院卢嘉锡青年人才奖等荣誉。
高范强，2006年获得华中科技大学工学学士学位，2012年获得中国科学院研究生院工学博士学位。2012年至今，在中国科学院电工研究所工作，现任副研究员，主要研究方向包括大功率电力电子变流器的分析和控制。
赵聪，2012年获得清华大学工学学士学位，2017年获得中国科学院大学工学博士学位。2017年至今，在中国科学院电工研究所工作，现任副研究员，主要研究方向包括模块化多电平换流器和电力电子变压器的电路拓扑、分析和控制。
李耀华，中国科学院电工研究所所长，研究员，博士生导师，主要从事电机、电力电子与电力传动技术研究。
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《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE的执委Don Tan博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。
